一種耐高溫耐磨損鈦基復合材料及其制備方法與流程

本發明屬于復合材料領域，尤其涉及一種耐高溫耐磨損鈦基復合材料及其制備方法。

背景技術：

鈦合金是以鈦為基加入其他元素組成的合金，具有很高的比強度，在航空和航天領域得到廣泛應用，常作為飛機和航天器的重要結構材料。近年來，由于鈦合金具有良好的耐腐蝕性、高低溫性能，其在石油和化工等領域的應用逐漸擴大，用做熱交換器、反應塔、蒸汽透平機的葉片、閥門、泵管道等腐蝕或特殊溫度條件下的結構材料。

現有的鈦合金材料與鋼鐵材料相比，還存在耐磨性低、難于切削加工和彈性模量低等缺點，阻礙了鈦合金應用范圍的擴大，特別是硬度低、耐磨性能差的弱點。純鈦的硬度約為HV150-200，鈦合金通常不超過HV350。在很多情況下，這樣的硬度值不能滿足實際生產應用的要求。鈦合金的低耐磨性可歸因于兩個主要因素：一是低塑性剪切抗力和低加工硬化率；二是表面氧化物的保護作用很低。鈦合金與空氣中的氧形成的氧化膜，該氧化膜在摩擦接觸中易發生剝落；同時在更加惡劣的環境以及發生縫隙腐蝕的情況下，鈦合金的耐腐蝕性也將大大降低。目前，為了提高鈦合金的耐腐蝕性，通常對鈦合金進行表面處理，例如滲氮、陽極氧化、微弧氧化等工藝。但目前若用這些工藝只是在鈦合金表面涂一層薄膜，僅僅是增強鈦合金表面層的耐腐蝕性，并不是提升鈦合金基體的耐腐蝕性；而且這些工藝由于滲層深度很薄，在摩擦環境下較長時間工作，就會導致鍍層被磨損掉，破壞了表面的耐腐蝕層。

鈦合金由于其耐磨性較差，當所制備的零件發生微動磨蝕時，會引起疲勞強度的迅速下降，因此很難做到在機械產品、汽車部件等滑動零部件上大量使用鈦合金，否則存在安全隱患。為了滿足鈦合金的市場需求，亟需研制一種耐高溫耐磨損的鈦基復合材料。

技術實現要素：

本發明針對上述問題，提供一種可在高溫下使用的耐磨鈦基復合材料，通過混雜增強相增強鈦合金材料，達到了高溫時高耐磨程度的鈦基復合材料，從而拓寬鈦合金的應用范圍。

為了實現上述目的，本發明提供了一種耐高溫耐磨損鈦基復合材料，原料組成按重量百分比配比如下：Al 為6-7%、Sn為3-4.5%、Zr為8-10%、Mo為0.8-1%、Si為0.2-0.3%、Nb為0.8-1%、W為0.8-1%，添加4.5%-6.5%的質量分數的增強相，余量為Ti。

所述的增強相為TiB或TiB與TiC的組合。

為了實現上述目的，本發明還提供了該耐高溫耐磨損鈦基復合材料的制備方法，具體步驟如下。

步驟1、備料：按重量百分比秤取海綿鈦，海綿鋯，含質量分數50%錫和50%鋁的鋁錫合金，顆粒度為0.25-3mm；含質量分數50%鉬和50%鋁的鋁鉬合金，顆粒度為0.4-4mm；含質量分數為50%鈮和50%鋁的鋁鈮合金，顆粒度為0.25-2mm；純鋁豆，顆粒度為6-9mm，純鎢粉，顆粒度為0.4-1μm，純硅粉，粒度為125-325目，增強相顆粒度為0.01-2mm。

步驟2、熔煉：采用真空自耗水冷銅坩堝感應凝殼爐進行熔煉，熔煉功率為320-345kW，真空條件下進行熔煉，抽真空度至0.15Pa，熔煉后保溫5-8min，保溫溫度不低于熔點溫度1995℃，得到合金溶液；在真空自耗水冷銅坩堝感應凝殼爐的真空條件下，將合金溶液澆鑄到圓柱模具內，在空氣中，自然冷卻至室溫，得到合金鑄錠。

步驟3、鑄錠分析：用20車床從合金鑄錠上部、中部、下部取樣，用光譜分析儀分析化學成份及雜質成份，以此來分析鑄錠的化學成份是否均勻，然后分析材料的相變點。

步驟4、鍛造：將步驟（3）檢測合格的鑄錠合金鑄錠預熱至溫度為1050-1100℃，并在該溫度下保持45min，用5000t油壓機進行鍛造，三次鍛造拔長的總變形量不小于85%，鍛造完成。

本發明的有益效果。

本發明的復合材料中，Mo可提高鈦合金的耐熱性能，使鈦合金材料在高溫環境下使用時間延長，Mo固溶強化β相，并顯著降低鈦合金的相變點、增加淬透性，從而增強熱處理強化效果，Mo提高蠕變抗力的效果比釩好，還可以改善合金的耐蝕性；Si可提高合金的抗蠕變性能，但不能加入過量的硅元素，因為硅化物在高溫長期暴露中，會繼續在晶界和相界上析出并不斷積累，會影響熱穩定性，本發明硅含量控制0.2-0.3%，硅能夠完全溶于基體中可以獲得最佳的蠕變性能。

本發明中控制Al、Sn、Zr的含量范圍（Al 為6-7%、Sn為3-4.5%、Zr為8-10%），超過一定范圍后，元素含量越高，熱暴露后斷面收縮率降低得越多。因為Al、Sn與Ti形成Ti₃Al、Ti₃Sn，Al、Sn、Zr的含量控制，一方面可以促進Ti₃Al的有序化，另一方面也可以生成Zr₃Al、Zr₃Sn等化合物；Zr常被用作提高熱強性的一種有效元素，它與鈦形成連續的α和β固溶體，在鈦中的擴散速度較慢，有限制硅化物長大使之呈彌散狀態的作用，使細小的硅化物析出相均勻分布，添加Zr能使鈦合金的蠕變極限明顯提高；對于高鋁鈦合金，加入少量的Zr可以增加α₂（α₂是鈦合金顯微組織中的一種）與基體的錯配系數，促進位錯繞過機制形成，增加材料的塑性。

鋁含量的增加對鈦合金的抗蠕變性能和抗氧化性能的提高有利，但是，同時也導致鈦合金的塑性和變形能力下降。本發明中加入的Nb、W元素的量不超過1%，低于在α鈦中溶解度（Nb可以達到20%，W也可以達到2%），可使α₂相的C曲線向右移，α₂相的析出變慢，成核均勻，增加材料的塑性和韌性；并減少了有序化的傾向，減緩了變脆的效應，這樣既可以提高抗蠕變性能，又可以提高熱穩定性；但是若這兩種元素含量過高（超過1%），尤其是超過溶解度，就會使殘余β相增加，在高溫下長期暴露后，必然使殘余β相大量分解而降低合金熱穩定性，進而降低鈦合金高溫條件下的耐磨性能。

本發明鈦基復合材料，添加了增強相，增強相的選擇以提高材料抗氧化能力、強度和硬度為依據，這就要求增強相具有高硬度、高熔點等特點。選擇TiC和TiB作為增強體，是由于二者的密度與鈦的密度相近，熔點分別為3067℃和2200℃，熱膨脹系數在8×10^-6/℃左右，與鈦合金熱膨脹系數（膨脹系數8.2）相近。由于增強相這些物理性能，使得其與鈦合金基體之間的相容性好。增強相的添加使得鈦基復合材料的強度有大幅度地提高，但同時塑性也隨之下降，而鈦基復合材料中Nb、W元素的添加，又使其塑性有所提高，且提高了高溫抗氧化性能。本發明多種元素與增強相的相互作用，使得鈦基復合材料硬度提高、耐磨性增強，同時具有良好的綜合性能。

本發明以鈦合金為基體，添加增強相，增強相與基體之間的界面結合力較強。復合材料在摩擦磨損的工作環境下，會對增強體與基體之間的界面造成損傷，在外界溫度發生變化時或摩擦磨損產生溫度變化時，會引起增強相和基體同時發生膨脹收縮，若熱膨脹系數相差較大，會引起界面的脫粘損傷。但是，本發明鈦基復合材料的增強相與基體之間的熱膨脹系數比較接近，界面結合力強。本方法制備的鈦基復合材料，由于添加增強相中的微觀反應中C、B元素與鈦合金基體發生反應生成，所得到的增強體與基體之間的結合強度極高，最終制得的材料性能也最好。因此，在增強相和與該基體鈦合金所制成的鈦基復合材料具有良好的耐磨性。

綜上所述，本發明鈦基復合材料，是通過添加增強相來增強界面結合力，使得材料的強度增強，同時添加Nb、W等元素與增強相的相互作用，即在保證強度的前提下，提高了材料的塑性，同時也提高了高溫抗氧化性能，使得鈦基復合材料的硬度提高，耐磨性增強。在650℃下，仍可以具有良好的抗拉強度和伸長率，并且該鈦基復合材料突破鈦合金不耐磨的技術難點。

附圖說明

圖1是實施例1添加增強相TiB的鈦基復合材料的顯微組織。

圖2是實施例2添加增強相TiB+TiC的鈦基復合材料的顯微組織。

圖3是實施例1鈦基復合材料的摩擦系數曲線。

圖4是實施例1鈦基復合材料的XRD曲線。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明做詳細的說明。

實施例1。

一種在650℃溫度下使用的耐磨鈦基復合材料按重量百分比包括Al 6%、Sn 4%、Zr 10%、Mo 1%、Si 0.25%、Nb 1%、W 1%，添加5%的質量分數的TiB，余量為Ti。

本實施例是以15kg的鑄錠為標準。

步驟一、備料：按重量百分比準備海綿鈦11.32kg，海綿鋯1.55kg，含50%錫的鋁錫合金1.2kg，含50%鉬的鋁鉬合金0.3kg，含50%鈮的鋁鈮合金0.3kg，純鋁豆0.04kg，鎢0.152kg，硅0.0378kg，TiB 0.75kg。

步驟二、熔煉：采用真空水冷坩堝感應凝殼爐進行熔煉。在熔煉功率為335kW的真空條件下進行熔煉，抽真空度到0.15Pa，熔煉后保溫8min得到合金溶液，保溫溫度2000℃。在真空條件下，進一步地將合金溶液澆鑄到圓柱模具內，在空氣中，自然冷卻至室溫，得到合金鑄錠。

步驟三、鑄錠分析：用20車床從鑄錠取樣，分析化學成份及雜質成份，以此來分析鑄錠的化學成份是否均勻，然后分析材料的相變點。

步驟四、鍛造：將步驟（3）檢測合格的鑄錠預熱至溫度為1100℃，并在該溫度下保持45min，用5000t油壓機進行鍛造，第一火拔長變形量為40%，回爐加熱至1100℃，保溫30min；第二火拔長變形量為30%，回爐加熱至1075℃，保溫30min；第三火拔長變形量為25%，三次鍛造的總變形量大于85%，鍛造完成。

實施例2。

一種耐磨鈦基復合材料質量百分比由Al 6.3%、Sn 4.5%、Zr 8.8%、Mo 0.82%、Si 0.3% 、Nb 0.87%、W 0.87%，添加2.5%的質量分數的TiB和3.5%的質量分數的TiC和余量的Ti制成。

實施例3。

一種耐磨鈦基復合材料質量百分比由Al 7%、Sn 3%、Zr 8%、Mo 0.8%、Si 0.2%、Nb 0.8%、W 0.8%，添加2.5%的質量分數的TiB和2.5%的質量分數的TiC和余量的Ti制成。

一、對上述實施例的鈦基復合材料進行如下性能檢測分析。

對實施例1進行顯微組織觀察，見圖1。可以觀察到TiB多沿晶界分布，尺寸較小，主要為針狀，說明TiB的高溫穩定性很好，加強了鈦基復合材料高溫時的耐磨性。若增強相為TiC和TiB，即實施例2，則TiC多為尺寸較大的顆粒狀或條狀，TiB為顆粒狀或者纖維狀結構，見圖2。

對實施例1進行摩擦系數測定，見圖3。從圖中可以看出在室溫和高溫狀態下，摩擦系數很穩定，并未隨著時間的延長而波動，這說明其耐磨性能穩定，不受溫度和時間的影響。

對實施例1進行XRD分析，見圖4。從圖中可以看出，除了Ti基體外，存在的增強相為TiB，并無其他雜質相的生成，這說明TiB能夠穩定的存在在復合材料中。從XRD的分析結果來看，制得的鈦基復合材料中并無其他元素反應生成的相，說明Al、Si等其他合金元素固溶到基體之中，基體合金中所添加的各元素之間也未發生化學反應生成雜質。

對實施例1進行拉伸試驗，測得在室溫條件下，其抗拉強度為≥1200MPa，伸長率為10%左右；在高溫650℃下，其抗拉強度為≥600MPa，伸長率為25%左右。目前常用的高溫鈦合金TC11，其室溫時，其抗拉強度為≥890MPa，伸長率為10%；在高溫450℃下，其抗拉強度為≥620MPa，伸長率為10%。